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La tecnología actual necesita cerámicas contemporáneas con mayores cualidades mecánicas, térmicas y químicas. Las cerámicas de sialón y nitruro de silicio son duras, resistentes al desgaste y térmicamente estables. La combinación de nitruro de silicio y alúmina confiere al sialón tenacidad a la fractura y resistencia a la oxidación. La baja expansión térmica y la gran conductividad térmica del nitruro de silicio son ideales para aplicaciones de alta temperatura. Los sectores aeroespacial, automovilístico y electrónico utilizan estas cerámicas para mejorar los componentes de los motores, las herramientas de corte y los equipos de procesamiento de semiconductores. Por tanto, aumentan el rendimiento y la durabilidad en entornos hostiles.
Silicio, aluminio, oxígeno y nitrógeno hacen de la cerámica de sialón un material sofisticado. Los sialones se fabrican sustituyendo los átomos de silicio y nitrógeno del nitruro de silicio (Si3N4) por aluminio y oxígeno. Mejoran la tenacidad y la estabilidad térmica. Los sialones pueden clasificarse en alfa (α), beta (β) o de fase mixta. Los sialones alfa, un material monofásico con gran dureza y resistencia a la oxidación a altas temperaturas, se emplean en aplicaciones de desgaste severo.
Los sialones beta son adecuados para herramientas de corte y componentes de desgaste gracias a su estructura de grano entrelazado, tenacidad a la fractura y resistencia al choque térmico. Los sialones de fase mixta equilibran dureza y tenacidad para aplicaciones de alta temperatura combinando características alfa y beta.
Las cerámicas de nitruro de silicio de alto rendimiento (Si3N4) están basadas en el silicio y el nitrógeno. Estas cerámicas de nitruro de silicio destacan por su alta resistencia, sus propiedades de tenacidad a la fractura, su estabilidad térmica y su resistencia a la oxidación. El nitruro de silicio se liga por reacción, se sinteriza o se prensa en caliente. El polvo de nitruro de silicio se compacta en nitruro de silicio resistente y poroso (RBSN). El nitruro de silicio sinterizado (SSN) produce cerámicas densas con características mecánicas superiores para componentes de cojinetes y turbinas al sinterizar itria o alúmina. El nitruro de silicio prensado en caliente (HPSN) se fabrica aplicando calor y presión simultáneamente. Es una cerámica densa con una resistencia mecánica y una conductividad térmica inusuales para componentes de motores de alto rendimiento y sustratos electrónicos.
Los cuerpos verdes se densifican en una estructura resistente durante la sinterización de la cerámica de nitruro de silicio (Si3N4). Para evitar la descomposición, la sinterización sin presión puede producirse en nitrógeno a 1750°C-1850°C. La sinterización por presión de gas (GPD) aumenta la densificación aplicando una presión de gas nitrógeno de hasta 10 MPa. Puede reducir las temperaturas de sinterización a 1700°C y alcanzar una densidad cercana a la teórica. El prensado isostático en caliente (HIP) aumenta las cualidades mecánicas combinando altas temperaturas (1600°C-1800°C) con presión de gas isostático (100-200 MPa). La temperatura de sinterización, la presión y el entorno deben regularse para mejorar el crecimiento del grano, la resistencia mecánica y reducir la porosidad.
En la sinterización de cerámicas de β′-sialón, existen paralelismos con el nitruro de silicio, pero también variaciones. Aunque ambos utilizan la sinterización a alta temperatura, los sialones podrían necesitar Y2O3 y MgO para formar fases líquidas y aumentar la densificación. Los aditivos pueden disminuir la temperatura de sinterización a 1600°C-1750°C y generar una fase líquida transitoria. Ésta disuelve y reprecipita los granos para un crecimiento homogéneo de la microestructura. El proceso de sinterización por disolución-difusión-reprecipitación afecta al tamaño y la forma de los granos. El control microestructural aumenta la tenacidad a la fractura y la resistencia al desgaste. Como resultado, los aditivos y los ajustes de sinterización son vitales para las cerámicas de sialón de alto rendimiento.
Aplicaciones generales
La elevada dureza, las propiedades de resistencia al desgaste y la estabilidad térmica hacen que las cerámicas de sialón y nitruro de silicio (Si3n4) sean ideales para herramientas de corte y abrasivos. La cerámica Sialon mantiene afiladas las herramientas de corte a altas velocidades y temperaturas. En consecuencia, minimiza la frecuencia de sustitución de herramientas. El nitruro de silicio favorece la productividad en el mecanizado a alta velocidad de hierro fundido y acero duro. Las piezas de los motores de automoción y los turbocompresores necesitan estas cerámicas. Su baja expansión térmica y su potente resistencia al choque térmico son duraderas en situaciones brutales. Su alta resistencia al desgaste, baja fricción y mayor vida útil aumentan los rodamientos y rodillos de equipos industriales para reducir los gastos de mantenimiento.
Dada su resistencia al choque térmico y a los productos químicos, el sialon y la cerámica de nitruro de silicio (Si3N4) pueden soportar metales no ferrosos fundidos. En circunstancias adversas, estos materiales resisten la rotura por fluctuaciones bruscas de temperatura. Las vainas cerámicas de los termopares permiten controlar los procesos con mediciones de temperatura fiables. Los tubos ascendentes y los ejes de los rotores fabricados con sialon o nitruro de silicio limitan la contaminación y preservan la manipulación del metal fundido. Su baja humectabilidad del metal fundido y su gran resistencia mecánica reducen el tiempo de espera de la colada y mejoran la eficacia.
Las actividades no ferrosas fundidas pueden enfrentarse a temperaturas superiores a 1.000 °C y a metales reactivos que son muy corrosivos. Estas condiciones aceleran la degradación del grafito y la alúmina, lo que provoca sustituciones frecuentes y una mayor indisponibilidad. Estos entornos también necesitan materiales que soporten ciclos térmicos rápidos y reacciones químicas graves. Se necesitan nuevos materiales con mayor estabilidad térmica, resistencia a la corrosión y resistencia mecánica para aumentar la eficacia y la vida útil de los componentes.
El sector de los metales no férreos fundidos se beneficia de las cerámicas de sialón y nitruro de silicio. En particular, las cerámicas de sialón presentan una potente resistencia al choque térmico, 17.37 ± 0.48 GPa y estabilidad química en situaciones extremas. Las cerámicas de nitruro de silicio son duraderas en condiciones de estrés térmico gracias a sus bajos coeficientes de dilatación térmica (3.27×10(-6) °C) y sus buenas propiedades de resistencia a la fractura. Estas cerámicas generan capas de oxinitruro de silicio que inhiben la oxidación, a diferencia del grafito, que se oxida a altas temperaturas. Esto hace que duren más y necesiten menos cuidados que los materiales estándar.
Las vainas de termopar de nitruro de silicio protegen los sensores de temperatura en baños de metal fundido. Proporcionan lecturas precisas y prolongan la vida útil del sensor. Además, la resistencia térmica y mecánica de la cerámica sialon ayuda a los tubos ascendentes. Son fundamentales para la fundición a baja presión, ya que conservan el rendimiento y la forma a altas temperaturas, reducen los fallos de fundición y aumentan la eficacia de la producción. Los ejes de rotor de nitruro de silicio en el refinado de aluminio se enfrentan a un metal fundido constante y a fundentes corrosivos, y resisten la oxidación y el desgaste. Reducen los gastos de reparación y mejoran la fiabilidad del proceso.
Los avances más recientes en la sinterización de cerámicas de sialón y nitruro de silicio perfeccionan los aditivos y coadyuvantes para mejorar las características del material. Los óxidos de tierras raras, como la itria y la iterbia, favorecen la densificación y la uniformidad microestructural. Favorecen el desarrollo de la fase límite del grano y reducen la temperatura de sinterización para aumentar la resistencia a la fractura y la estabilidad térmica. Las mejoras en la sinterización sin presión y la sinterización por plasma de chispa (SPS) proporcionan un control microestructural preciso. Posteriormente, puede culminar en tamaños de grano ultrafinos por debajo de 200 nm en cerámicas. Los periodos de sinterización más cortos reducen la formación de granos y mejoran la dureza y la resistencia al desgaste.
El silicio y la cerámica de nitruro de silicio (si3n4) están entrando en usos biomédicos y electrónicos. La biocompatibilidad y las cualidades antibacterianas del nitruro de silicio lo convierten en el mejor implante biomédico para la fusión espinal y los implantes dentales. Debido a su elevada conductividad térmica (hasta el 85 W/m-K) y su aislamiento eléctrico, estas cerámicas se emplean en componentes electrónicos de alta frecuencia y alta temperatura. Su resistencia al choque térmico y al desgaste mecánico refuerza el futuro de los componentes y su rendimiento en álabes de turbinas de alta eficiencia y sustratos de células solares, que la industria de las energías renovables está investigando. Su adaptabilidad los convierte en candidatos atractivos para desempeñar papeles importantes en la tecnología radical. De ahí que pronostique grandes avances en estas aplicaciones creativas.
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